加裝減載器的有桿抽油系統的平衡調節

孟 亞，王金東，于振東，趙海洋

（1.東北石油大學機械科學與工程學院，黑龍江大慶163318；2.大慶油田有限責任公司試油試采分公司，黑龍江大慶163318） ＊

加裝減載器的有桿抽油系統的平衡調節

孟 亞1，王金東1，于振東2，趙海洋1

（1.東北石油大學機械科學與工程學院，黑龍江大慶163318；2.大慶油田有限責任公司試油試采分公司，黑龍江大慶163318）＊

減載器是采油井內配置的一種井下工具，可以通過自身產生的液壓反饋力來降低抽油機驢頭懸點載荷和抽油桿應力。加裝減載器后，使有桿抽油系統的動力特性發生改變，原有系統平衡被打破。根據有桿抽油系統運動規律和平衡準則，對抽油系統及平衡重力進行分析。將理論計算與實際工況相結合，通過數值分析計算，對系統平衡進行調節，使有桿抽油系統能耗降低，達到節約生產成本、提高經濟效益的目的。

減載器；懸點載荷；平衡重；數值分析

有桿抽油系統包括抽油機、抽油桿、抽油泵、油管、套管等地面設備和井下設備。減載器是安裝在采油井井口和井下抽油泵之間的一種井下工具［1－4］。通過該工具與抽油機、抽油桿、抽油泵等的合理匹配，可以產生液壓反饋力來大幅度降低抽油機驢頭懸點載荷，增加泵掛深度和泵的沉沒度，增大生產壓差，提高油井產量，降低抽油桿應力；實現油井深抽或超深抽，從而提高抽油系統的系統效率，并且延長抽油桿及地面設備的使用壽命，有效節約生產成本，提高經濟效益［5］。筆者根據有桿抽油系統的運動規律［6－8］，對加裝減載器的抽油系統進行研究，通過數值分析對系統平衡進行調節，使其在平衡狀態下工作，達到節能降耗的目的。

1 減載器及減載力

減載器主要由進出液孔、柱塞管，上下密封管、呼吸孔、減載活塞等部分組成，其具體結構及工作原理見文獻［3］。減載器的柱塞管和減載活塞隨抽油桿柱一起運動時，減載活塞上、下端面2處的壓力有差值，由該差值所產生的力作用在減載活塞的下端面，使其產生一個向上的舉升力——減載力。減載器的減載力與油井動液面高度、減載器在井下深度、減載活塞和密封活塞的直徑有關。

減載力與油井動液面高度存在一定的關系：當動液面在井口時，減載力為零，減載力隨著動液面的下降而逐漸增大；當動液面在減載器呼吸孔位置時，減載力達到最大；當動液面在呼吸孔以下時，減載力保持最大值。減載力PF（不考慮油套環空中靜氣柱的壓力）計算式為

式中，p1為減載活塞下端面處的壓力，Pa；p2為減載活塞上端面處的壓力，Pa；ρ為井液密度，kg／m3；h為減載器上液體折算高度，m；S1為減載活塞截面面積，m2；S2為柱塞管截面面積，m2。

2 平衡重力理論計算

加裝減載器后的有桿抽油系統原來的平衡狀態和動力特性都發生改變，因此需要達到新的平衡才能保證其在最佳狀態下工作。這需要對抽油機的平衡重進行調節。

安裝減載器后，抽油機下沖程過程中懸點所承受的力主要由抽油桿柱在液體中的重力、減載力及下沖程各種摩擦力組成。在上沖程中，懸點所承受的力主要有抽油桿柱在液體中的重力、油管內柱塞以上的液柱重力和減載力、上沖程各種摩擦力。

根據電動機在上、下沖程做功相等的平衡準則，下沖程時平衡重所儲存的能量或上沖程時釋放出的能量A0為

式中，Axs為上沖程提升抽油桿柱所做的功；Axx為下沖程抽油桿柱下落所做的功。

如果已有抽油機的實際示功圖，則Axs和Axx可以由示功圖面積求得；沒有實際示功圖，可以用靜力示功圖進行計算。但在井較深、抽油機沖次較大的情況下，必須考慮動載荷的影響，動載荷由慣性載荷和振動載荷2部分組成。

確定了儲存或平衡的能量A0以后，進而對機械平衡重力的大小和位置進行計算。本文以如圖1所示的復合平衡游梁式抽油機為例進行計算。

游梁部件自重力折算成的游梁平衡重力為

曲柄自重力折算成曲柄平衡重力的平衡半徑為

1） 對于復合平衡抽油機，游梁平衡重力為

曲柄平衡重力的平衡半徑為

2） 對于游梁平衡方式，Qq＝0，忽略曲柄自重力影響，得

3） 對于曲柄平衡方式，Qy＝0，忽略游梁部件自重力的影響，得

式中，Kc為Qy離游梁支點的距離，m；Qq為曲柄平衡重力，N；Rq為Qq的平衡半徑，即曲柄平衡重力重心離曲柄旋轉中心O′的距離，m；qy為游梁部件（包括驢頭、游梁、橫梁和連桿）的重力，N；ly為qy的重心離游梁支點的距離，m，qy的重心在驢頭一側為負值，反之為正；qq為曲柄自重力，N；Lq為qq的重心離曲柄旋轉中心O′的距離，m；δy為游梁擺角，（°）；δ為上沖程起始點時曲柄轉角，（°）；δ′為上沖程終止點時曲柄轉角，（°）。

圖1 復合平衡游梁式抽油機原理

3 數值分析

以平衡重力的理論計算和分析為基礎，將現場采集到的抽油系統測試數據和抽油機型號等作為基本參數，通過編寫相關程序，實現了抽油機減載后重新調節平衡重的計算和分析，得出新的適合現場應用的平衡參數。

在抽油機的運動分析和動力分析過程中，很多參數（例如懸點位移、速度、加速度）均可用曲柄轉角的函數表示，因此在程序運算過程中取曲柄轉角的間隔為1°。將抽油機運動、動力參數（例如懸點位移、載荷、扭矩等）設為數組變量，數組長度取360°，與曲柄轉角的劃分一致，這樣可將每次循環所算出的運動、動力參數存放于數組變量中。然后，采用描點法繪出較為清晰的位移、速度、加速度、扭矩曲線以及動力示功圖。相應數組元素就是曲線上點的縱坐標，曲柄轉角是橫坐標。

利用本程序對加裝SC－П型深抽減載裝置的CYJY10－3－37HB型抽油機（工況：桿柱組合為?19 mm×905m、?22mm×603m，泵徑?38mm，泵深1 506m，沖次4min－1）進行平衡重力的調節計算和運動、動力分析，將得出的數據導入工作表中繪制扭矩曲線，如圖2～3所示。圖中，TwB為純光桿載荷在曲柄軸上產生的扭矩，N·m；Tm為曲柄平衡扭矩，N·m；Tn為減速器凈扭矩，N·m。

圖2 減載前曲柄扭矩隨曲柄轉角的變化曲線

圖3 加裝減載器后達到新平衡的扭矩曲線

經程序計算得：原CYJY10－3－37HB型抽油機減速箱輸出軸的最大輸出扭矩為28 187.56N·m；減速箱輸出軸的均方根扭矩為14 642.52N·m；加裝減載器后減載器所能提供的最大減載力為14.4 kN；單塊平衡重調節量為移近曲柄中心0.20m；達到新平衡的CYJY10－3－37HB型抽油機減速箱輸出軸的最大輸出扭矩為15 980.27N·m；減速箱輸出軸的均方根扭矩為8 926.89N·m。

根據上述數據可以看出，加裝減載器并調節平衡重力達到新平衡后，抽油機在運行過程中，減速箱輸出軸峰值扭矩得到有效降低，而且扭矩曲線波動較小，負扭矩減少。抽油機凈扭矩波動越小，表示電機所受載荷越均勻，則消耗于熱損失的功就越小，抽油機能耗越低，從而實現了節能目的；同時，靜扭矩曲線波動小可延長地面設備和抽油桿的使用壽命。

4 現場試用

2009—2011年，在Y266－140井試用了SC－П型深抽減載裝置，地面使用CYJY10－3－37HB型抽油機，桿柱組合為?19mm×905m、?22mm×603m，泵徑?38mm，沖次4min－1。按照理論優化設計，該裝置設計下入深度650m。試用SC－П型深抽減載裝置前后示功圖如圖4～5所示。

圖4 Y266－140井減載前地面功圖

圖5 Y266－140井減載后地面功圖

對比圖4～5可知：抽油機最大載荷和最小載荷都有不同程度的下降，最小載荷下降幅度較大；抽油機平均最大、最小載荷分別下降了13.1kN和25 kN，降幅分別為24.6%和78%?，F場測試結果表明：抽油機井系統效率得到提升，平均單井系統效率提高0.91百分點；消耗功率、日耗電量分別下降0.66kW和21kW·h，節電率達到13.0%，提高了經濟效益。

5 結論

本文主要對加裝減載器的抽油機進行運動分析和動力學分析，推導出懸點載荷，平衡重力及減速箱曲柄軸扭矩的計算公式，并繪制了CYJY10－3－37HB型抽油機減速箱曲柄軸扭矩曲線。通過對比原抽油機和加裝減載器并達到新平衡的抽油機的扭矩曲線及均方根扭矩值，可以看出減載器能大幅度減輕抽油機驢頭懸點載荷及抽油桿柱重力，達到了增加油井產量、提高系統效率、降低能耗的目的。

［1］ 黃 偉，甘慶明，姚 斌，等.抽油機減載器原理及應用研究［J］.石油礦場機械，2007，36（7）：25－27.

［2］ 陳 浩，王長江，湛精華，等.安裝助抽減載裝置的多級抽油桿力學行為分析［J］.石油礦場機械，2010，39（7）：36－41.

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［4］ 趙海洋，王金東，于振東.加裝減載器的抽油系統桿柱設計及節能分析［J］.科學技術與工程，2009，9（14）：4 143－4 145.

［5］ 龔大利，王金東，趙海洋.加裝減載器的有桿抽油系統數值分析及應用［J］.石油礦場機械，2010，39（12）：72－74.

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Balance Adjustment of Sucker－rod Pumping System with Load Reducer

MENG Ya1，WANG Jin－dong1，YU Zhen－dong2，ZHAO Hai－yang1
（1.College of Mechanical Science and Engineering，Northeast Petroleum University，Daqing163318，China；2.Oil Test and Production Branch Company，Daqing Oilfield Company，Daqing163318，China）

Load reducer is a subsurface tool in the oil well.The load reducer can reduce sucker rod stress and polished rod load of pumping unit horse head by hydraulic pressure.The power characteristics and the balance of sucker－rod pumping system were changed with the reduced force produced by the load reducer.According to the system motion law and the balance principle，the pumping system and the counter weight was analyzed with theory.The theoretical calculation combining with the actual working condition，the system balance was adjusted by the result of numerical analysis again.As a result，the energy consumption of rod pumping system is reduced，the production cost is saved and the economic efficiency is improved.

load reducer；polished rod load；counter weight；numerical analysis

1001－3482（2012）03－0036－04

TE933

A

2011－09－23

孟 亞（1984－），女，河北辛集人，碩士研究生，主要從事機械采油系統工程研究。